Luận văn: Giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy lưới điện bằng máy phát phân tán

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp tối ưu máy phát phân tán (DG) nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cho lưới điện phân phối.

• Tác giả: Nguyễn Đức Duy
• Người hướng dẫn: Ts. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng máy phát phân tán
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Máy phát phân tán DG và lưới điện phân phối

Máy phát phân tán (DG) là các nguồn điện nhỏ được phân tán khắp mạng lưới điện phân phối, giúp giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới điện. Lưới điện phân phối hiện đại phải đối mặt với thách thức về tổn hao năng lượng và độ ổn định. DG bao gồm các công nghệ như pin mặt trời (PV), pin nhiên liệu (FC), máy phát turbine gió, máy phát động cơ đốt trong, và thủy điện nhỏ. Việc tích hợp DG vào lưới phân phối không chỉ giúp giảm tổn thất đường dây mà còn cải thiện chất lượng điện áp và tần số. Những nguồn năng lượng tái tạo này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển bền vững hệ thống điện hiện đại, đồng thời giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.

1.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có cấu trúc hình nhánh hoặc vành, với đặc điểm dòng công suất một chiều từ nguồn cấp đến tải. Điện áp hoạt động thường ở mức 6-35 kV, với tổn hao đường dây chiếm 10-15% tổng công suất truyền tải. Các đặc điểm này làm cho lưới dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố, ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống. Việc tích hợp DG có thể thay đổi bản chất dòng công suất, tạo cơ hội để tối ưu hóa hiệu suất lưới.

1.2. Các công nghệ DG chính

Pin mặt trời (PV) sử dụng năng lượng mặt trời với hiệu suất 15-20%, không phát sinh khí thải. Pin nhiên liệu (FC) chạy bằng hydro, sạch và yên tĩnh nhưng chi phí cao. Máy phát turbine gió khai thác năng lượng gió, thích hợp vùng ven biển. Máy phát động cơ đốt trong (ICE) linh hoạt, dễ lắp đặt với công suất 10-100 kW. DG đa dạng này cho phép giảm tổn thất công suất hiệu quả tùy theo điều kiện địa phương.

II. Bài toán tối ưu vị trí DG giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy

Bài toán tối ưu vị trí DG là quá trình xác định vị trí và công suất tối ưu của các máy phát phân tán để giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới điện. Mục tiêu chính là tối thiểu hóa tổng chi phí hoạt động hệ thống, bao gồm chi phí cung cấp từ trạm biến áp, chi phí gián đoạn ước tính và chi phí tổn thất năng lượng. DG được tích hợp vào lưới phải tuân theo các hạn chế về công suất, điện áp và độ ổn định. Bài toán này phức tạp với nhiều biến số liên tục và rời rạc, yêu cầu các thuật toán tối ưu hóa tiên tiến như giải thuật di truyền (GA) để tìm lời giải tối ưu hoặc gần tối ưu.

2.1. Hàm mục tiêu và các ràng buộc

Hàm mục tiêu bao gồm: tổng chi phí cung cấp từ hệ thống = tổng chi phí gián đoạn ước tính + tổng chi phí tổn thất năng lượng. Chi phí gián đoạn phụ thuộc vào độ tin cậy lưới, được xác định bằng tần suất và khoảng thời gian gián đoạn dịch vụ. Giảm tổn thất công suất được tính toán từ các tổn hao I²R trên đường dây. Các ràng buộc bao gồm: công suất DG ≤ công suất định mức, điện áp nút trong giới hạn 0,95-1,05 pu, và dòng điện đường dây không vượt quá công suất định mức.

2.2. Những ảnh hưởng khi tích hợp DG

Tích hợp DG vào lưới phân phối thay đổi bản chất dòng công suất, có thể là một chiều hoặc hai chiều tùy vào vị trí và công suất DG. Giảm tổn thất công suất tối đa đạt được khi DG được đặt ở vị trí tối ưu, thường là gần các điểm tải lớn. Nâng cao độ tin cậy lưới điện được thực hiện bằng cách giảm khoảng cách truyền tải công suất và cung cấp năng lượng dự phòng. Tuy nhiên, cần phải đánh giá kỹ lưỡng các tác động tiêu cực như sự không ổn định của lưới.

III. Giải thuật di truyền GA áp dụng cho tối ưu hóa DG

Giải thuật di truyền (GA) là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa tự nhiên, đặc biệt hiệu quả cho các bài toán giảm tổn thất công suất với DG. GA hoạt động bằng cách tạo quần thể các cá thể (lời giải), sau đó thực hiện các phép toán chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm lời giải tối ưu. Giải thuật di truyền có khả năng thoát khỏi cực tiểu cục bộ, phù hợp với bài toán phi tuyến phức tạp. Trong áp dụng tối ưu hóa vị trí DG, mỗi cá thể biểu diễn một cấu hình cụ thể của máy phát phân tán, với các gene đại diện cho vị trí và công suất. GA được chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao độ tin cậy lưới điện và giảm chi phí hoạt động hệ thống điện.

3.1. Các đặc tính và quá trình cơ bản của GA

GA có đặc tính khôi phục lại quần thể tốt nhất từ thế hệ cũ, tạo ra sự đa dạng di truyền thông qua đột biến. Các quá trình cơ bản bao gồm: khởi tạo quần thể, đánh giá thích nghi (fitness), chọn lọc bậc phụ huynh (selection), lai ghép (crossover), và đột biến (mutation). DG tối ưu được tìm thấy thông qua việc lặp lại các quá trình này qua nhiều thế hệ cho đến khi hội tụ hoặc đạt số thế hệ tối đa.

3.2. Các tham số điều khiển GA

Các tham số quan trọng bao gồm: kích thước quần thể (population size), xác suất lai ghép (crossover probability), xác suất đột biến (mutation probability), và số thế hệ tối đa. Tham số tỷ lệ chọn lọc (selection rate) ảnh hưởng đến sự hội tụ. Lựa chọn tham số tối ưu đảm bảo GA cân bằng giữa tốc độ hội tụ và chất lượng lời giải, từ đó giảm tổn thất hiệu quả nhất.

IV. Ứng dụng thực tiễn tối ưu hóa DG trong lưới điện Cà Mau

Ứng dụng thực tế tối ưu hóa vị trí DG trên lưới điện thành phố Cà Mau cho thấy kết quả rõ rệt trong việc giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy. Lưới điện Cà Mau gồm 18 phát tuyến chính cấp áp 22 kV, với tổn thất công suất cao nhất là 15% năng lượng cung cấp. Ứng dụng GA để tối ưu hóa vị trí máy phát phân tán trên các phát tuyến chính đã đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Nhằm giảm tổn thất đường dây, các DG được đặt chiến lược ở các nút tải lớn, kết hợp với các biện pháp khác để nâng cao độ tin cậy hệ thống điện phân phối.

4.1. Kết quả tính toán phát tuyến 477AX

Trên phát tuyến 477AX với 20 nút tải, áp dụng GA cho thấy giảm tổn thất công suất từ 285,3 kW xuống còn 125,8 kW (giảm 55,9%). Nâng cao độ tin cậy lưới được cải thiện từ 99,45% lên 99,82%, tương ứng giảm thời gian gián đoạn từ 47,5 giờ xuống 15,8 giờ/năm. DG tối ưu được đặt tại các nút 7, 14, 16 với công suất 600, 500, 400 kW tương ứng, giúp tối ưu hóa dòng công suất và cải thiện chất lượng điện áp toàn mạng.

4.2. Xác thực bằng phần mềm PSS Adept

Kết quả từ GA được xác thực độc lập bằng phần mềm mô phỏng PSS Adept, phần mềm chuyên dụng cho phân tích lưới điện phân phối. Giảm tổn thất được xác nhận với sai số < 2%, chứng minh tính chính xác của thuật toán di truyền. Độ tin cậy lưới điện cải thiện được xác minh thông qua phân tích độ nhạy và sốcímô phỏng các kịch bản sự cố, khẳng định hiệu quả thực tiễn của DG tối ưu đối với nâng cao độ tin cậy hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GVHD: TS. Trương Việt Anh - Nhóm tác giả César Augusto Peñuela Meneses, Member, IEEE, and José Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE đã công bố nghiên cứu “Improving the Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed Generation”[21]. Nghiên cứu sử dụng giải thuật tìm kiếm Taboo để giải quyết bài toán đa mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào hệ thống. Nghiên cứu đưa ra một phương pháp giải quyết tối ưu hàm mục tiêu gồm các chi phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cung cấp điện, chi phí tổn thất công suất.

Mô hình toán học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus trong đó bao gồm một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV ở Sao Paulo, Brazil. Kết quả mô phỏng của một hệ thống qua kiểm tra thực tế cho thấy mô hình đề xuất có thể xác định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ, và hiệu quả hoạt động của mạng, tất cả chỉ trong một chương trình. Thông qua các phương pháp thực hiện, lợi thế đạt được là khả năng quan sát điện áp và tần số của hệ thống khi có kết nối DG. Người ta thấy rằng thực hiện kết nối DG như thế này, dẫn đến chi phí hoạt động và chi phí độ tin cậy sẽ tốt hơn, bởi vì họ sử dụng các mức giá khác nhau được cung cấp bởi các nguồn phát trên diện rộng.

Nó cũng có thể phục vụ nhu cầu phụ tải tăng lên một cách đột biến. Tuy nhiên, thiết kế này có thể dẫn đến một hệ thống bảo vệ đắt tiền, cũng như làm giảm tỷ suất lợi nhuận trong việc phối hợp các thiết bị bảo vệ. Từ những nghiên cứu đã công bố nêu trên, trong khuôn khổ luận văn này chủ yếu tập trung vào vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới phân phối khi có kết nối DG sử dụng giải thuật di truyền, các vấn đề liên quan đến cải thiện điện áp và cải thiện vận hành lưới thông qua việc thay đổi các thiết bị bảo vệ trên hệ thống sẽ không được xem xét. HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 13 Chương 2 GVHD: TS.

Trương Việt Anh CHƢƠNG 2 CÁC BÀI TOÀN LIÊN QUAN ĐẾN DG 2.1 Mục đích vận hành DG: Các ứng dụng của DG bao gồm: nhiệt - điện kết hợp, công suất dự phòng, dự phòng công suất đỉnh và vận hành độc lập. Tùy vào ứng dụng mà việc vận hành DG sẽ mang lại những lợi ích sau: - Trong trường hợp phụ tải của hệ thống đạt công suất đỉnh, hệ thống phân phối không thể thỏa mãn nhu cầu của phụ tải hoặc phải chấp nhận mua điện với giá cao. Phần điện năng thiếu hụt này sẽ do các DG đảm nhiệm. Hoặc trong trường hợp cần sa thải phụ tải trên lưới truyền tải do công suất truyền tải vượt quá giới hạn của đường dây, DG cũng được vận hành để đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải bị ảnh hưởng bởi giới hạn này.

- DG được vận hành để cung cấp điện năng với giá rẻ. Công suất của phụ tải trong hệ thống thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào chủng loại và đặc tính của từng phụ tải. Chi phí mua điện từ hệ thống truyền tải được xác định theo lượng công suất mua theo từng thời điểm. Vì vậy khi DG được kết nối vào mạng phân phối và xem như một nguồn phụ, người hoạch định công tác vận hành hệ thống có thể tận dụng giá rẻ từ một số DG nhằm giảm chi phí vận hành.

- DG được vận hành để cung cấp điện năng khi nguồn hệ thống bị gián đoạn. Khi có gián đoạn xảy ra, các phụ tải sẽ được cắt ra khỏi hệ thống bằng các thiết bị bảo vệ trên lưới như: máy cắt, recloser và được tái cấp điện bởi các DG. Trong trường hợp này DG cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và làm giảm chi phí bồi thường do mất điện.2 Các bài toán liên quan đến DG: HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 14 Chương 2 GVHD: TS. Trương Việt Anh Tùy thuộc vào quan điểm và mục tiêu nghiên cứu mà người ta có thể căn cứ vào lợi ích và ảnh hưởng của DG để phân chia thành các nhóm bài toán sau: Bài toán phối hợp bảo vệ rơ le.

Bài toán giảm tổn thất trên đường dây. Bài toán cải thiện điện áp, chỉ số điện áp. Bài toán nâng cao độ tin cậy. Bài toán đa mục tiêu xác định vị trí và tối ưu dung lượng DG.

Ở khuôn khổ luận văn này chủ yếu tập trung vào các bài toán giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy.1 Bài toán đánh giá độ giảm tổn hao đƣờng dây: a- Chỉ số giảm tổn hao đƣờng dây (line loss reduction index – LLRI) Khi DG được đặt ở vị trí thích hợp, lợi ích thu được là giảm tổn thất trên đường dây. Thông thường tổn thất sẽ tăng cao khi mạng điện vận hành đầy tải vì tổn hao tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện. Tổn hao này góp phần làm tăng chi phí vận hành của hệ thống. Để đánh giá mức độ tổn hao trên hệ thống khi có kết nối DG người ta thiết lập các hệ số sau [6]: LL LLRI= (1) LL0 Trong đó: M LL   I A2 ,i Ri Di chỉ số giảm tổn hao đường dây khi có kết nối DG; i 1 M LL0   I L2,i Ri Di chỉ số giảm tổn hao đường dây khi chưa kết nối DG; i 1 I A,i dòng điện trên nhánh thứ i sau khi có kết nối DG; HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 15 Chương 2 GVHD: TS.

Trương Việt Anh I L,i dòng điện trên nhánh thứ i khi chưa kết nối DG; Ri điện trở đơn vị nhánh thứ i; Di chiều dài nhánh thứ i; M số nhánh của mạng điện; b- Bài toán phân tích sự giảm tổn hao trên đƣờng dây khi có DG: Để phân tích giảm độ tổn hao, mô hình được chọn để phân tích là một phát tuyến hình tia với phụ tải tập trung cuối đường dây. Dịch chuyển vị trí DG dọc theo phát tuyến và thay đổi công suất của DG để khảo sát sự thay đổi của độ giảm tổn thất. IL Nguồn Tải L Khoảng cách từ nguồn đến tải là L(km). IS IL Nguồn Tải IDG DG G L IDG G Khoảng cách từ nguồn đến vị trí kết nối DG là G (km).

Giả thiết: hệ số công suất của tải là không đổi. Công suất của phụ tải là SL=PL+jQL, dòng phụ tải sẽ là: ( PL  jQL ) IL  (2) 3VP Tổn hao trên phát tuyến khi không có DG kết nối là: rL( PL2  jQL2 ) LossB  (3) 3VP2 HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 16 Chương 2 GVHD: TS. Trương Việt Anh Khi có DG kết nối SDG=PG+jQG, dòng bơm từ DG vào phát tuyến là: ( PG  jQG ) IG  3VP Dòng điện bơm từ nguồn vào phát tuyến lúc này là: IS = I L - IG Tổn hao công suất từ nguồn đến vị trí đặt DG: rG(( PL  PG ) 2  ( jQ L  jQG ) 2 ) LossASG  3VP2 rG( PL2  QL2  PG2  QG2  2 PL PG  2QL QG )  3VP2 Tổn hao công suất từ vị trí đặt DG đến tải: r ( L  G)( PL2  QL2 ) LossAGL  3VP2 Tổn hao công suất trên phát tuyến khi có DG là: LossAT  LossASG  LossAGL R  2  G   P  QL2  ( PG2  QG2  2 PL PG  2QL QG )  2  L (4) 3VP   L  Trong đó: R là điện trở của phát tuyến Độ giảm tổn hao trên phát tuyến được tính bằng công thức sau: LR  LossB  LossAT  RG 3VP2 L 2PL PG  2QLQG  PG2  QG2  (5) 2.2 Bài toán nâng cao độ tin cậy: Độ tin cậy cung cấp điện ngày càng được quan tâm, đặc biệt là từ phía khách hàng. Những khách hàng đặc biệt, có yêu cầu cao về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cần được cung cấp từ ít nhất 2 nguồn theo sơ đồ lưới kín vận hành hở.

Cũng có thể sử dụng thêm dự phòng là nguồn điện phân tán [4], như hình 2.1 HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 17 Chương 2 GVHD: TS. Trương Việt Anh Luíi ®iÖn l©n cËn cã kh¶ n¨ng cung TC h¹ ¸p cÊp h¹n chÕ tr¹m 110kV 3 4 5 6 7 8 9 12 1 2 10 13 14 11 Nguån ®iÖn ph©n t¸n Kh¸ch hµng ®Æc biÖt Hình 2.1 Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở có nguồn phân tán. Tuy nhiên độ tin cậy cung cấp điện thực sự nhận được cho mỗi khách hàng không giống nhau, phụ thuộc hàng loạt yếu tố: - Vị trí phụ tải (khách hàng) trên sơ đồ; - Cấu trúc lưới phân phối điện, trong đó có các thiết bị phân đoạn; - Giới hạn công suất hỗ trợ từ nguồn dự phòng là lưới điện lân cận và vị trí kết nối của nguồn này sang lưới đang xét, độ tin cậy cung cấp điện của chính nguồn này tính đến điểm kết nối; - Giới hạn cung cấp của nguồn điện phân tán, thời gian khởi động của nó; - Thời điểm xảy ra sự cố (tương ứng với tổng phụ tải tiêu thụ lớn hay bé). Cũng cần nói thêm là, lĩnh vực nghiên cứu tính toán độ tin cậy đối với hệ thống điện bao hàm những nội dung rất đa dạng với những mục tiêu (bài toán) khác nhau: độ tin cậy nguồn điện, độ tin cậy lưới truyền tải, độ tin cậy lưới điện phân phối, độ tin cậy hệ thống bảo vệ và điều khiển, độ tin cậy đảm bảo cung cấp điện cho khách hàng.

Luận văn quan tâm chủ yếu các vấn đề liên quan đến bài toán vận hành nâng cao độ tin cậy và tối ưu chi phí, do đó các nội dung tính toán độ tin cậy cũng tập trung chủ yếu vào lưới điện phân phối và yêu cầu của mỗi khách hàng. a- Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ tin cậy Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống điện có thể được chia thành bốn loại bao gồm: các phần tử của hệ thống điện, điều kiện môi trường, đặc tính tải và cấu hình hệ thống hệ thống điện. Các phần tử của hệ thống điện Các phần tử của lưới điện như là: đường dây, máy biến áp, thiết bị đóng cắt … HVTH: Nguyễn Đức Duy trang 18 Chương 2 GVHD: TS. Trương Việt Anh mà độ tin cậy của chúng cùng cách thức ghép nối chúng trong sơ đồ quyết định độ tin cậy của lưới điện.

Các phần tử của hệ thống cung cấp điện trong vận hành đều có thể bị hỏng bất ngờ.